Electricity and Magnetism（電磁學）

引用

Purcell, E. M., & Morin, D. J. (2013). Electricity and Magnetism (3rd ed.). Cambridge University Press.

章節概要

第三版約850頁：十一章、習題解答部分（第586–761頁）、十一個附錄（A–K），以及三個版本的全部序言。戴維·莫林（David Morin）修訂了愛德華·普賽爾（Edward Purcell）50年前首次出版的這本教材，並把本版從高斯單位制改為國際單位制（SI）。出版社介紹說，本書採用“非傳統”的思路，把磁性作為一種相對論效應推匯出來，數學隨所需的物理內容同步引入，宏觀現象則由其背後的微觀物理推導而來。下面的概要依據章名、各章頁數和這段介紹，不涉及各小節的具體內容。

第1章：靜電學：電荷與電場

開篇一章（約57頁）講電荷與電場。第2章和第3章繼續靜電學的脈絡，分別講電位和導體。

第2章：電位

約66頁，專講電位。

第3章：導體周圍的電場

約53頁，講導體周圍的電場。

第4章：電流

約58頁，講電流。出版社把電路列為本書涵蓋的標準主題之一。

第5章：運動電荷的場

約42頁，講運動電荷產生的場。出版社說磁性是作為相對論效應推匯出來的，而這一章恰好排在“磁場”一章之前，與這一思路相符；附錄G“狹義相對論簡要回顧”可用來復習背景知識。

第6章：磁場

約65頁，講磁場，是書中較長的章節之一。

第7章：電磁感應

約46頁，講電磁感應。

第8章：交流電路

約42頁，講交流電路。

第9章：馬克士威方程式與電磁波

主要章節中最短的一章（約36頁），把馬克士威方程式與電磁波放在一起講。

第10–11章：物質中的電場；物質中的磁場

兩章分別約57頁和63頁，講物質中的電場和磁場。出版社所說“由背後的微觀物理推導宏觀現象”適用於這裡。

書末：解答與附錄

第586–761頁是習題解答。附錄涉及SI與高斯單位制的差異、常用量的SI單位、單位換算、SI與高斯公式、各單位制之間的精確關係、曲線座標、狹義相對論簡要回顧、加速電荷的輻射、超導、磁共振和常用公式。

核心概念

第1–3章：靜電學

• 電荷與電場：第1章“靜電學：電荷與電場”的主題。
• 電位：第2章把它作為獨立主題講述。
• 導體：第3章講導體周圍的電場。

第4–6章：電流與磁性

• 電流：第4章。
• 運動電荷的場：第5章，排在磁場一章之前。
• 磁場：第6章。

第7–9章：感應、電路與波

• 電磁感應：第7章。
• 交流電路：第8章。
• 馬克士威方程式與電磁波：第9章。

第10–11章與附錄：物質與單位

• 物質中的場：電場（第10章）和磁場（第11章）。
• SI與高斯單位制：附錄A、D、E對兩種單位制進行比較並建立聯絡。

評析

優點

• 獨特的磁學路徑。 出版社說明磁性是作為相對論效應推匯出來的。在“磁場”之前設有專門講運動電荷之場的一章（第5章），附錄G又提供相對論回顧，這些安排與上述介紹相符。
• 數學隨需要引入。 據出版社介紹，數學概念與相關物理主題同步引入，因此讀者不必在開始之前學完全部向量微積分；書中還有一個講曲線座標的附錄（附錄F）。
• 練習充足，且附有解答。 出版社列出592道習題、614幅插圖、例題以及每章末尾的應用。部分習題的解答印在書中；H. 亨利·斯特羅克（H. Henry Stroke）在《Physics Today》的書評中說，這些解答約佔全書的四分之一，尤其方便自學，是“非常受歡迎的補充”，並提到書中有許多清晰的講解，以及各章末尾的總結。
• 對單位制的幫助。 由於早先版本使用高斯單位制，五個附錄（A–E）說明了二者的差異並給出換算，有助於讀者在其他書籍和論文中遇到高斯單位制公式時參考。

局限

• 波與輻射部分較為簡略。 電磁波與馬克士威方程式共用一章（約36頁），加速電荷的輻射、超導和磁共振各只有四五頁的附錄。如果課程希望更充分地講授輻射或波，可能需要更高階的教材。
• 篇幅與背景要求。 十一章約850頁，其中數章長達55–66頁，需要投入相當多的精力。通過相對論講磁學也要求讀者對狹義相對論有一定熟悉度；附錄G提供了8頁的回顧。
• 不是物理的初次入門。 出版社稱其主題為標準的入門主題，但通常的先修要求（基於微積分的力學和多元微積分）使它適合放在大一物理課程之後，而不是取代它。

在課程中的定位

在電磁學書單中，普賽爾與莫林是第一門正式的電磁學課程的主教材。有兩本書可以在它之前或同時閱讀：OpenStax的《University Physics Volume 2》是免費的、基於微積分的入門教材，大半內容從庫侖定律講到電磁波；弗萊施（Fleisch）的《A Student's Guide to Maxwell's Equations》是一本短小的指南，逐條講解四個方程，適合覺得場的數學較抽象的讀者作為溫和的陪伴讀物。

之後可以讀格里菲思（Griffiths）的《Introduction to Electrodynamics》，這是面向高年級大學部學生的、較全面的電磁理論教材；傑克遜（Jackson）的《Classical Electrodynamics》是研究生層次、嚴謹講述場、輻射和帶電粒子動力學的教材。比滕考特（Bittencourt）的《Fundamentals of Plasma Physics》是專門的高階教材，對多數讀者而言並不是下一步。

如何使用本書

本書適合學過基於微積分的入門物理課程、並有一些多元微積分基礎的學生。先讀第1–3章（靜電學），再讀第4章（電流）；如果對狹義相對論不熟悉，在讀第5章之前先讀附錄G。

實用的安排：

• 核心： 第1–7章和第9章構成從電荷到馬克士威方程式的主線。即使時間緊張也要讀第5章，因為出版社所說的相對論式磁學思路正是由運動電荷之場鋪墊的。
• 電路與物質： 需要電路知識時再讀第8章（交流電路）；場論打好基礎之後再讀第10–11章（物質中的場）。
• 附錄： 與使用高斯單位制的書對照時看A–E，遇到曲線座標時看F，H–J可作為簡短的拓展閱讀。
• 習題： 先自己做習題，再對照書中的解答；解答部分用於自學檢驗，而不是第一選擇。習題的教師用解答可從出版社網站獲得。